水素の抱える課題 - エネルギー革命のための測定ソリューション

水素はエネルギー転換の中心にあり、産業の脱炭素化とエネルギー消費の変革に独自の可能性をもたらしています。しかし、エネルギーの未来の柱のひとつとされる水素ガスには、貯蔵、輸送、測定の面で大きな技術的課題があります。この記事では、水素に関連する主な問題を取り上げ、なぜKELLERのセンサがその要件を満たすように設計されているのかを紹介します。

水素は、単一水素原子（H）と水素分子（H₂）の2種類に分けられます。

水素はエネルギーを生成する際にCO₂や窒素酸化物、粒子状物質といった有害な排気ガスを出さないので、環境に優しい燃料と考えられています。その代わり、副産物は水だけであり、これは化石燃料と比較しても大きなメリットです。

水素にもデメリットはあります。水素は自然界に純粋な形で存在することはほとんどないため、通常はまず水素を生成するところから始まります。これは膨大なエネルギーを必要とし、コスト上昇にもつながります。特にいわゆる「グリーン水素」は、太陽エネルギーや風力エネルギーなど再生可能エネルギーからしか得られないため、高価です。一方、「ブルー」水素や「グレー」水素といった他のタイプの水素は、化石燃料を使用して製造されるため、環境に優しいというメリットが薄れてしまいます。

水素の貯蔵と輸送は技術的に要求が多く、固有の課題があります。水素ガスは揮発性で非常に可燃性が高いため、高圧又は極低温の状態で貯蔵・輸送しなければなりません。これは、体積あたりのエネルギー密度の低さを補うものです。このような条件下では、貯蔵システムの安全性及び技術設備に高い要求が課されます。

水素消費量とドラム缶容量の比較

軽自動車が700キロの距離を走るには、約7kgの水素を必要とします。750ml入りの
レモネードのボトルを例に取ると、大気圧で70mg以下の水素しか入りません。

様々な水素貯蔵方法により、お客様のニーズにお応えしています：

• 気体水素：水素は700barあるいは950barまで高圧圧縮することで、特別なタンクに気体の状態で貯蔵することができます。しかしこのタイプの貯蔵は頑丈で重く高価なタンクを必要とします。
  気体水素用タンクには金属製の重いもの（タイプI）から複合材料製の超軽量のもの（タイプIV）まで、さまざまな種類があります。重量比は金属製タンクの1～2％から、車両に最適な高圧複合材料製の5～10％まであります。現在開発中のV型タンクは、さらに優れた性能を発揮します。
  この圧縮水素は大口の水素消費家や水素ステーションにパイプラインを通して輸送することもできます。
• 液体水素： もうひとつは水素を液化させる方法です。これには約-252℃の極低温が必要で、大きなエネルギー投入が必要となります。加えて、タンカーや極低温タンクでの輸送には、極度の断熱と特別なインフラも必要となります。
• 別の方法：もうひとつの可能性は、水素を他の元素と結合させることです。いわゆる「製品」が作られ、輸送が容易になります。目下水素をメタンに変換する水素のメタン化の研究が盛んに行われています。このために既存の天然ガス用インフラを利用することもできます。メタノール（CH30H）やアンモニア（NH3）といった他の製品も、水素やエネルギーの輸送のために研究されています。例えば、環境に優しいアンモニアを使ったプロジェクトは、工業生産や輸送に応用するための重要な分野です。
  金属水素化物、錯体水素化物及びナノポーラス材料のような革新的な化合物による固体水素貯蔵は、超軽量モビリティや、ボートや潜水艦を含む海上用途にコンパクトかつ安全なソリューションを提供します。これらの技術により、極端な圧縮無しでも高密度水素を貯蔵することが可能になります。

気体、液体、あるいは地中の水素を貯蔵する市場は活況を呈しています。イノベーションの対象は、パイプラインやタンカーで水素を輸送するためのエネルギー変換産業です。

水素の正確で信頼性の高い測定は、産業用アプリケーションにとって極めて重要です。水素の圧力を測定する場合、測定器には特別な要件が課せられます。高度な技術により、KELLERのセンサはこのガス特有の課題を克服することができます：

透過

透過とは、水素がある物質の層を透過する過程を指します。水素は通常、結合した分子フォームであるH2（純水素）またはH2O（酸素と結合して水となる）として発生し、単一の水素原子（H）として発生することは稀です。電気分解や熱衝撃（用語集またはウィキペディアへのリンク）を受けると、水素分子（H2）が分離して水素原子（H）になることがあります。水素は軽いため、個々の水素原子（H）は金属格子を貫通し、金属膜に入り込むことがあります。このプロセスは以下の3つのステップに分けられます：

1. 水素が材料に吸収される。
2. 水素が拡散によって材料を貫通する（水素原子は鋼鉄を貫通し、その後直接H2分子に戻る）。
3. 水素が材料の反対側に移動する。

このプロセスの時間を透過速度と呼びます。水素の透過を抑えるため、金の保護層でダイヤフラムをコーティングします。金は鋼鉄よりも透過率が低いので、金がバリアの役割をして拡散時間を何倍にも延ばすのです。

KELLERの水素アプリケーション向け製品ラインは、厳しい安全性と性能基準を満たす製品で成長を続けています。これらのソリューションは、精製、グリーンアンモニア製造、冶金、貯蔵、輸送、電解など、水素サプライチェーン全体に渡る様々なニーズに対応しています。

水素アプリケーション専用のページでは、KELLERが提供する水素アプリケーションの概要をご覧いただけます。www.keller-druck.com/h2